join 执行流程

本篇作为学习笔记，文章内容来自“极客时间”专栏《MySQL实战45讲》，如有侵权，请告知，必即时删除。

今天这篇文章，我就先跟你说说 join 语句到底是怎么执行的，为了便于量化分析，我还是创建两个表 t1 和 t2 来和你说明。

CREATE TABLE `t2` (
  `id` int(11) NOT NULL,
  `a` int(11) DEFAULT NULL,
  `b` int(11) DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`),
  KEY `a` (`a`)
) ENGINE=InnoDB;

drop procedure idata;
delimiter ;;
create procedure idata()
begin
  declare i int;
  set i=1;
  while(i<=1000)do
    insert into t2 values(i, i, i);
    set i=i+1;
  end while;
end;;
delimiter ;
call idata();

create table t1 like t2;
insert into t1 (select * from t2 where id<=100)

可以看到，这两个表都有一个主键索引 id 和一个索引 a，字段 b 上无索引。存储过程 idata() 往表 t2 里插入了 1000 行数据，在表 t1 里插入的是 100 行数据。

Index Nested-Loop Join

我们来看一下这个语句：

select * from t1 straight_join t2 on (t1.a=t2.a);

如果直接使用 join 语句，MySQL 优化器可能会选择表 t1 或 t2 作为驱动表，这样会影响我们分析 SQL 语句的执行过程。所以，为了便于分析执行过程中的性能问题，我改用 straight_join 让 MySQL 使用固定的连接方式执行查询，这样优化器只会按照我们指定的方式去 join。在这个语句里，t1 是驱动表，t2 是被驱动表。现在，我们来看一下这条语句的 explain 结果。

mysql> explain select * from t1 straight_join t2 on (t1.a = t2.a);
+----+-------------+-------+------+---------------+------+---------+--------------+------+-------------+
| id | select_type | table | type | possible_keys | key  | key_len | ref          | rows | Extra       |
+----+-------------+-------+------+---------------+------+---------+--------------+------+-------------+
|  1 | SIMPLE      | t1    | ALL  | a             | NULL | NULL    | NULL         |  100 |             |
|  1 | SIMPLE      | t2    | ref  | a             | a    | 5       | mysql45.t1.a |    1 | Using where |
+----+-------------+-------+------+---------------+------+---------+--------------+------+-------------+
2 rows in set (0.02 sec)

可以看到，在这条语句里，被驱动表 t2 的字段 a 上有索引，join 过程用上了这个索引，因此这个语句的执行流程是这样的：

1. 从表 t1 中读入一行数据 R；
2. 从数据行 R 中，取出 a 字段到表 t2 里去查找；
3. 取出表 t2 中满足条件的行，跟 R 组成一行，作为结果集的一部分；
4. 重复执行步骤 1 到 3，直到表 t1 的末尾循环结束。

这个过程是先遍历表 t1，然后根据从表 t1 中取出的每行数据中的 a 值，去表 t2 中查找满足条件的记录。在形式上，这个过程就跟我们写程序时的嵌套查询类似，并且可以用上被驱动表的索引，所以我们称之为“Index Nested-Loop Join”，简称 NLJ。它对应的流程图如下所示：

join1.jpg

在这个流程里：

1. 对驱动表 t1 做了全表扫描，这个过程需要扫描 100 行；
2. 而对于每一行 R，根据 a 字段去表 t2 查找，走的是树搜索过程。
3. 由于我们构造的数据都是一一对应的，因此每次的搜索过程都只扫描一行，也是总共扫描 100 行；
4. 所以，整个执行流程，总扫描行数是 200。

怎么选择驱动表？

在这个 join 语句执行过程中，驱动表是走全表扫描，而被驱动表是走树搜索。

假设被驱动表的行数是 M。每次在被驱动表查一行数据，要先搜索索引 a，再搜索主键索引。每次搜索一棵树近似复杂度是以 2 为底的 M 的对数，记为 log2M，所以在被驱动表上查一行的时间复杂度是 2*log2M。

假设驱动表的行数是 N，执行过程就要扫描驱动表 N 行，然后对于每一行，到被驱动表上匹配一次。因此整个执行过程，近似复杂度是 N + N2log2M。显然，N 对扫描行数的影响更大，因此应该让小表来做驱动表。

如果你没觉得这个影响有那么“显然”， 可以这么理解：N 扩大 1000 倍的话，扫描行数就会扩大 1000 倍；而 M 扩大 1000 倍，扫描行数扩大不到 10 倍。

到这里小结一下，通过上面的分析我们得到了两个结论：

1. 使用 join 语句，性能比强行拆成多个单表执行 SQL 语句的性能要好；
2. 如果使用 join 语句的话，需要让小表做驱动表。

Simple Nested-Loop Join

现在，我们把 SQL 语句改成这样：

select * from t1 straight_join t2 on (t1.a=t2.b);

由于表 t2 的字段 b 上没有索引，因此再用图1的执行流程时，每次到 t2 去匹配的时候，就要做一次全表扫描。

你可以先设想一下这个问题，继续使用图1的算法，是不是可以得到正确的结果呢？如果只看结果的话，这个算法是正确的，而且这个算法也有一个名字，叫做“Simple Nested-Loop Join”。但是，这样算来，这个 SQL 请求就要扫描表 t2 多达 100 次，总共扫描 100*1000=10 万行。

这还只是两个小表，如果 t1 和 t2 都是 10 万行的表（当然了，这也还是属于小表的范围），就要扫描 100 亿行，这个算法看上去太“笨重”了。当然，MySQL 也没有使用这个 Simple Nested-Loop Join 算法，而是使用了另一个叫作“Block Nested-Loop Join”的算法，简称 BNL。

Block Nested-Loop Join

这时候，被驱动表上没有可用的索引，算法的流程是这样的：

1. 把表 t1 的数据读入线程内存 join_buffer 中，由于我们这个语句中写的是 select *，因此是把整个表 t1 放入了内存；
2. 扫描表 t2，把表 t2 中的每一行取出来，跟 join_buffer 中的数据做对比，满足 join 条件的，作为结果集的一部分返回。

这个过程的流程图如下：

join2.jpg

对应地，这条 SQL 语句的 explain 结果如下所示：

mysql> explain select * from t1 straight_join t2 on (t1.a=t2.b);
+----+-------------+-------+------+---------------+------+---------+------+------+--------------------------------+
| id | select_type | table | type | possible_keys | key  | key_len | ref  | rows | Extra                          |
+----+-------------+-------+------+---------------+------+---------+------+------+--------------------------------+
|  1 | SIMPLE      | t1    | ALL  | a             | NULL | NULL    | NULL |  100 |                                |
|  1 | SIMPLE      | t2    | ALL  | NULL          | NULL | NULL    | NULL | 1113 | Using where; Using join buffer |
+----+-------------+-------+------+---------------+------+---------+------+------+--------------------------------+
2 rows in set (0.03 sec)

可以看到，在这个过程中，对表 t1 和 t2 都做了一次全表扫描，因此总的扫描行数是 1100。由于 join_buffer 是以无序数组的方式组织的，因此对表 t2 中的每一行，都要做 100 次判断，总共需要在内存中做的判断次数是：100*1000=10 万次。

前面我们说过，如果使用 Simple Nested-Loop Join 算法进行查询，扫描行数也是 10 万行。因此，从时间复杂度上来说，这两个算法是一样的。但是，Block Nested-Loop Join 算法的这 10 万次判断是内存操作，速度上会快很多，性能也更好。

接下来，我们来看一下，在这种情况下，应该选择哪个表做驱动表。

假设小表的行数是 N，大表的行数是 M，那么在这个算法里：

1. 两个表都做一次全表扫描，所以总的扫描行数是 M+N；
2. 内存中的判断次数是 M*N。

可以看到，调换这两个算式中的 M 和 N 没差别，因此这时候选择大表还是小表做驱动表，执行耗时是一样的。

然后，你可能马上就会问了，这个例子里表 t1 才 100 行，要是表 t1 是一个大表，join_buffer 放不下怎么办呢？join_buffer 的大小是由参数 join_buffer_size 设定的，默认值是 256k。如果放不下表 t1 的所有数据话，策略很简单，就是分段放。我把 join_buffer_size 改成 1200，再执行：

select * from t1 straight_join t2 on (t1.a=t2.b);

执行过程就变成了：

1. 扫描表 t1，顺序读取数据行放入 join_buffer 中，放完第 88 行 join_buffer 满了，继续第 2 步；
2. 扫描表 t2，把 t2 中的每一行取出来，跟 join_buffer 中的数据做对比，满足 join 条件的，作为结果集的一部分返回；
3. 清空 join_buffer；继续扫描表 t1，顺序读取最后的 12 行数据放入 join_buffer 中，继续执行第 2 步。

执行流程图也就变成这样：

join3.jpg

图中的步骤 4 和 5，表示清空 join_buffer 再复用。这个流程才体现出了这个算法名字中“Block”的由来，表示“分块去 join”。

可以看到，这时候由于表 t1 被分成了两次放入 join_buffer 中，导致表 t2 会被扫描两次。虽然分成两次放入 join_buffer，但是判断等值条件的次数还是不变的，依然是 (88+12)*1000=10 万次。

我们再来看下，在这种情况下驱动表的选择问题。

假设，驱动表的数据行数是 N，需要分 K 段才能完成算法流程，被驱动表的数据行数是 M。注意，这里的 K 不是常数，N 越大 K 就会越大，因此把 K 表示为λ*N，显然λ的取值范围是 (0,1)。

所以，在这个算法的执行过程中：

1. 扫描行数是 N+λNM；
2. 内存判断 N*M 次。

显然，内存判断次数是不受选择哪个表作为驱动表影响的。而考虑到扫描行数，在 M 和 N 大小确定的情况下，N 小一些，整个算式的结果会更小。所以结论是，应该让小表当驱动表。

刚刚我们说了 N 越大，分段数 K 越大。那么，N 固定的时候，什么参数会影响 K 的大小呢？（也就是λ的大小）答案是 join_buffer_size。join_buffer_size 越大，一次可以放入的行越多，分成的段数也就越少，对被驱动表的全表扫描次数就越少。

这就是为什么，你可能会看到一些建议告诉你，如果你的 join 语句很慢，就把 join_buffer_size 改大。

总结

如果要使用 join，应该选择大表做驱动表还是选择小表做驱动表？

1. 如果是 Index Nested-Loop Join 算法，应该选择小表做驱动表；
2. 如果是 Block Nested-Loop Join 算法：
   2.1 在 join_buffer_size 足够大的时候，是一样的；
   2.2 在 join_buffer_size 不够大的时候（这种情况更常见），应该选择小表做驱动表。
   所以，这个问题的结论就是，总是应该使用小表做驱动表。

当然了，这里我需要说明下，什么叫作“小表”。
我们前面的例子是没有加条件的。如果我在语句的 where 条件加上 t2.id<=50 这个限定条件，再来看下这两条语句：

select * from t1 straight_join t2 on (t1.b=t2.b) where t2.id<=50;
select * from t2 straight_join t1 on (t1.b=t2.b) where t2.id<=50;

但如果是用第二个语句的话，join_buffer 只需要放入 t2 的前 50 行，显然是更好的。所以这里，“t2 的前 50 行”是那个相对小的表，也就是“小表”。

我们再来看另外一组例子：

select t1.b,t2.* from  t1  straight_join t2 on (t1.b=t2.b) where t2.id<=100;
select t1.b,t2.* from  t2  straight_join t1 on (t1.b=t2.b) where t2.id<=100;

这个例子里，表 t1 和 t2 都是只有 100 行参加 join。但是，这两条语句每次查询放入 join_buffer 中的数据是不一样的：

1. 表 t1 只查字段 b，因此如果把 t1 放到 join_buffer 中，则 join_buffer 中只需要放入 b 的值；
2. 表 t2 需要查所有的字段，因此如果把表 t2 放到 join_buffer 中的话，就需要放入三个字段 id、a 和 b。

这里，我们应该选择表 t1 作为驱动表。也就是说在这个例子里，“只需要一列参与 join 的表 t1”是那个相对小的表。

所以，更准确地说，在决定哪个表做驱动表的时候，应该是两个表按照各自的条件过滤，过滤完成之后，计算参与 join 的各个字段的总数据量，数据量小的那个表，就是“小表”，应该作为驱动表。